研究發展出金模板輔助剝離法構筑大面積二維材料及莫爾超晶格

莫爾超晶格是由兩個或多個單層/少層二維材料以一定的層間轉角堆疊在一起而形成的一類新穎的關聯電子材料體系。莫爾超晶格體系具有強的電子關聯和能帶拓撲特性，展現出一系列衍生現象，如非常規超導、莫爾激子、滑移鐵電、分數量子反常霍爾效應等。然而，由于傳統機械剝離方法獲得的單層/少層二維材料的尺寸小且產率低，增加了構筑摩爾超晶格中的角度對準的難度；構筑高質量莫爾超晶格需要避免濕法轉移過程，使得近年來發展的金膜輔助的機械剝離方法較難適用于莫爾超晶格構筑。為了實現莫爾超晶格的高效精準構筑，亟需開發通用、高效且與干法轉移堆疊技術兼容的大面積、高質量的二維原子晶體的機械剝離方法。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心研究員高鴻鈞帶領的團隊，致力于新型二維原子晶體材料的制備、物性調控及原型器件等方面的研究。近期，該團隊的博士研究生吳康和副研究員鮑麗宏等，發展了普適性的金模板輔助的機械剝離方法，制備了高質量、大面積單層/少層半導體、超導、磁性二維原子晶體材料。層數依賴的Raman和熒光光譜表征表明，該工作所獲得的單層/少層過渡金屬硫族化合物（TMD）具有較高質量。科研人員制備了一系列六方氮化硼封裝的高質量單層/少層空氣敏感的二維材料的電子器件，包括BP場效應晶體管和NbSe2的霍爾器件，并探討了層厚依賴的電學性質，證明了金模板輔助機械剝離方法與干法轉移堆疊技術可以兼容，并可普適地探討各種薄至單層的二維材料的層厚依賴的本征電學和光學性質。

該研究通過干法轉移堆疊技術拾取金模板襯底上位于裸露的矩形SiO2（30μm × 40μm）陣列上相鄰的單層/少層二維晶體，構筑了轉角雙層TMD同質結和轉角多層TMD同質結，且角度對準精度達~0.3°。研究通過對準矩形SiO2上的單層TMD臨近的晶體的長直臺階（和晶體的特殊晶向對應），構筑了~60°層間轉角和~0°層間轉角的轉角TMD異質結，且角度對準精度<1°。莫爾條紋成像、層間激子熒光光譜、二次諧波產生等一系列系統表征證明了高質量莫爾超晶格的精準構筑。該成果展示了金膜板輔助的機械剝離方法在高效精準構筑以轉角TMD同質結和異質結為代表的莫爾超晶格上的優勢，為高效精準構筑莫爾超晶格提供了新的材料制備方法，對于探索莫爾超晶格中的新奇物態具有積極意義。

相關研究成果以Gold-Template-Assisted Mechanical Exfoliation of Large-Area 2D Layers Enables Efficient and Precise Construction of Moiré Superlattices為題，在線發表在《先進材料》（Advanced Materials）上。研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術部、中國科學院等的支持。